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Die Erfindung betrifft ein Sensorelement insbesondere für einen Umdrehungszähler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Sensorelement ist aus der
EP 1 740 909 B1 bekannt. Das dortige Sensorelement ist spiralförmig ausgebildet und weist einen Schichtaufbau auf, der aus einer weichmagnetischen Schicht, einer unmagnetischen Schicht und einer hartmagnetischen Schicht besteht. Wird ein magnetisches Feld an diesem Sensorelement vorbeibewegt bzw. gedreht, so wird in dem Schichtaufbau eine Veränderung der Magnetisierung hervorgerufen, ohne dass hierzu eine Energieversorgung notwendig ist. Durch die spiralförmige Ausbildung ist das Sensorelement dazu geeignet, mehrere derartige Veränderungen der Magnetisierung zu speichern. Damit können beispielsweise mehrere Umdrehungen eines rotierenden Magneten von dem Sensorelement ohne eine Energieversorgung bleibend gezählt werden. Mit Hilfe des bekannten Sensorelements kann somit ein sogenannter True-Power-On-Umdrehungszähler aufgebaut werden.
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Ein Problem bei dem bekannten Sensorelement besteht darin, dass externe magnetische Störfelder, die unabhängig von dem beispielhaft genannten rotierenden Magneten vorhanden sind, gegebenenfalls einen Einfluss auf das Sensorelement haben und zu einer fehlerhaften Zählung führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sensorelement zu schaffen, mit dem eine fehlerhafte Zählung erkannt werden kann.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Sensorelement nach dem Anspruch 1.
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In dem erfindungsgemäßen Sensorelement kann ohne eine Energieversorgung eine Veränderung der Magnetisierung hervorgerufen und gespeichert werden, wenn ein magnetisches Feld an dem Sensorelement vorbeibewegt wird. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Sensorelement zwei spiralförmige Streifen auf, deren Wicklungssinn gegensinnig ist.
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Insbesondere aufgrund des gegensinnigen Wicklungssinns können fehlerhafte Zählungen, die gegebenenfalls durch externe magnetische Störfelder entstehen, von dem erfindungsgemäßen Sensorelement sicher erkannt werden. Der Einsatzbereich des Sensorelements kann dadurch insbesondere auch auf sicherheitsrelevante Anwendungen erweitert werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die beiden spiralförmigen Streifen jeweils mit einem Wandgenerator verbunden. Dies unterstützt wesentlich die Erzeugung von sogenannten Domänenwänden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die beiden Wandgeneratoren benachbart zueinander angeordnet sind. Gegebenenfalls kann auch ein gemeinsamer Wandgenerator vorhanden sein.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bilden die beiden spiralförmigen Streifen jeweils ein rautenförmiges Gebilde. Damit wird das Einspeichern der Domänenwände unterstützt.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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Die 1 bis 3 zeigen drei schematische Draufsichten auf jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
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In der 1 ist ein Sensorelement 10 dargestellt, das zwei etwa rautenförmige Gebilde 11, 12 aufweist, die entlang einer Längsseite nebeneinander angeordnet sind. Jedes der Gebilde 11, 12 ist aus einem etwa spiralförmig angeordneten Streifen 13, 14 aufgebaut. Beispielhaft weist jedes der beiden rautenförmigen Gebilde 11, 12 etwa vier Wicklungen seiner spiralförmigen Streifen 13, 14 auf. Der Wicklungssinn der beiden spiralförmigen Streifen 13, 14 ist dabei gegensinnig.
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An dem äußeren Ende jedes der beiden spiralförmigen Streifen 13, 14 ist ein Wandgenerator 15, 16 vorhanden, der flächig, insbesondere etwa als Kreisfläche ausgebildet ist. Die beiden Wandgeneratoren 15, 16 der beiden rautenförmigen Gebilde 11, 12 sind benachbart zueinander angeordnet. Die Streifen 13, 14 und Wandgeneratoren 15, 16 der beiden Gebilde 11, 12 sind unabhängig voneinander aufgebaut und elektrisch und magnetisch voneinander getrennt.
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Die Streifen 13, 14 und die Wandgeneratoren 15, 16 der beiden rautenförmigen Gebilde 11, 12 weisen jeweils einen Schichtaufbau auf, der aufeinanderfolgend mindestens eine weichmagnetische Schicht, eine unmagnetische Schicht und eine hartmagnetische Schicht enthält. Die weichmagnetische Schicht bildet dabei die eigentliche Sensorschicht und die hartmagnetische Schicht bildet eine Referenzschicht.
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Aufgrund dieses Schichtaufbaus führt ein sich an dem jeweiligen Gebilde 11, 12 vorbeibewegender bzw. sich drehender Magnet in den beiden Wandgeneratoren 15, 16 jeweils zu einer Veränderung der Magnetisierung der Sensorschicht, nicht jedoch der Referenzschicht. In der Sensorschicht der Wandgeneratoren 15, 16 entsteht eine sogenannte Domänenwand, die in die beiden Streifen 13, 14 hineinläuft und dort jeweils zwei Bereiche voneinander trennt, deren Magnetisierung um 180 Grad zueinander gedreht ist. Ein mehrmaliges Vorbeibewegen bzw. Drehen des Magneten führt zu mehreren derartigen Domänenwänden, die in den spiralförmigen Streifen 13, 14 dann ausgehend von dem jeweiligen Wandgenerator 15, 16 hinein wandern. Damit werden die Domänenwände in den beiden Gebilden 11, 12 gespeichert. Die Erzeugung der Domänenwände, wie auch deren Speicherung erfolgt dabei ohne eine Energieversorgung.
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Ein Vorbeibewegen bzw. Drehen des Magneten in entgegengesetzter Richtung führt zu einem Herauswandern einer Domänenwand aus dem jeweiligen Streifen 13, 14 und damit zu einer Auslöschung dieser Domänenwand.
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Aufgrund der beispielhaft jeweils vorgesehenen vier Wicklungen der Streifen 13, 14 der beiden Gebilde 11, 12 können mit dem Sensorelement 10 somit vier Umdrehungen eines beispielsweise rotierenden Magneten hoch- und heruntergezählt werden.
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Zur näheren Erläuterung des Schichtaufbaus und der daraus sowie aus der spiralförmigen Ausbildung resultierenden Funktionsweise der beiden Gebilde
11,
12 wird auf die bereits erwähnte
EP 1 740 909 B1 sowie auf die
EP 1 532 425 B1 verwiesen. Insbesondere im Hinblick auf Erläuterungen zur Erzeugung und Wanderung von Domänenwänden in den Streifen
13,
14 und Wandgeneratoren
15,
16 der beiden Gebilde
11,
12 wird auf die beiden vorgenannten Druckschriften hingewiesen.
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Zum Auslesen beispielsweise der Anzahl der Umdrehungen eines rotierenden Magneten wird der sogenannte GMR- oder TMR-Effekt (GMR = giant magneto resistance, TMR = tunnel magneto resistance) ausgenutzt. Danach unterscheidet sich beispielsweise der Widerstand des Streifens 13 in Abhängigkeit davon, ob die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht etwa parallel oder etwa anti-parallel zur Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht ausgerichtet ist. Jede in dem Streifen 13 vorhandene Domänenwand verändert die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht und damit den zwischen den Enden des Streifens 13 vorhandenen Widerstand. Für weitere Erläuterungen wird hierzu wieder auf die bereits genannten beiden Druckschriften verwiesen.
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In der 1 sind die durch die Magnetisierungen entstehenden Widerstände innerhalb der beiden Streifen 13, 14 schematisch als Einzelwiderstände 23 in jeder Längsseite der beiden rautenförmigen Gebilde 11, 12 dargestellt.
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Zum Auslesen kann nun eine Spannung an die beiden Enden des spiralförmigen Streifens 13 angelegt werden. Aus dem gemessenen Gesamtwiderstand zwischen den Enden des Streifens 13 kann dann beispielsweise auf die Anzahl der Umdrehungen eines rotierenden Magneten geschlossen werden.
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Alternativ ist es möglich, dass zum Auslesen die in der 1 mit den Bezugszeichen 18, 19 gekennzeichneten Ecken des rautenförmigen Gebildes 11 jeweils gemeinsam mit den beiden Polen einer Spannung verbunden werden. An den mit den Bezugszeichen 20, 21 gekennzeichneten Ecken des Gebildes 11 werden dann einzeln Messspannungen abgegriffen. Aus diesen Messspannungen kann dann der Gesamtwiderstand ermittelt und damit beispielsweise auf die Anzahl der Umdrehungen eines rotierenden Magneten geschlossen werden.
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Ebenfalls ist es möglich, aus den einzelnen Messspannungen, insbesondere durch eine Interpretation der aufeinanderfolgenden Messspannungen als binäre Werte, direkt – also ohne die Ermittlung des Gesamtwiderstands – auf die Anzahl der Umdrehungen eines rotierenden Magneten zu schließen.
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Es wird nun davon ausgegangen, dass in dem links dargestellten Gebilde 11 alle eingezeichneten Einzelwiderstände 23 aufgrund der Magnetisierung des Streifens 13 hochohmig sind; dies ist dadurch kenntlich gemacht, dass die Einzelwiderstände in dem linken Gebilde 11 schwarz ausgefüllt sind. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass in dem rechts dargestellten Gebilde 12 die dortigen Einzelwiderstände 23 niederohmig sind; dies ist dadurch kenntlich gemacht, dass die Einzelwiderstände in dem rechten Gebilde 11 nicht schwarz ausgefüllt sind. Diese Zustände der Einzelwiderstände 23 können dadurch erreicht werden, dass ein Magnetfeld derart auf das Sensorelement 10 einwirkt, dass nur in dem linken Gebilde 11 entsprechende Magnetisierungen der Sensorschicht erzeugt werden, in dem rechten Gebilde 12 jedoch nicht.
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Wird nun an dem Sensorelement 10 der 1 beispielsweise ein Magnet in der mit dem Pfeil 25 gekennzeichneten beispielhaften Richtung vorbeibewegt bzw. gedreht, so hat dies zur Folge, dass in dem Gebilde 12 eine neue Domänenwand entsteht und in dem Gebilde 11 eine vorhandene Domänenwand ausgelöscht wird. Entsprechendes gilt für weitere Vorbeibewegungen bzw. Drehungen des rotierenden Magneten an dem Sensorelement 10.
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Die Anzahl der Domänenwände in dem Gebilde 11 nimmt dadurch ab und die Anzahl der Domänenwände in dem Gebilde 12 nimmt zu. Damit verändert sich der Gesamtwiderstand in jedem der beiden Streifen 13, 14 auf eine ganz bestimmte Art und Weise. Dies führt zu vorgegebenen, einander zugehörigen Zählzuständen hinsichtlich der Domänenwände und damit zu vorab ermittelbaren Veränderungen der Gesamtwiderstände in jedem der beiden Gebilde 11, 12.
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Wenn nunmehr ein externes magnetisches Störfeld, das unabhängig von dem beispielhaft genannten rotierenden Magneten vorhanden ist, gegebenenfalls einen Einfluss auf das Sensorelement ausübt und eine Domänenwand in einem der beiden Gebilde 11, 12 oder in beiden Gebilden 11, 12 erzeugt oder auf sonstige Weise die Magnetisierungsrichtung in einem oder beiden Streifen 13, 14 verändert, so kann dies erkannt werden. Dies ergibt sich daraus, dass sich der Gesamtwiderstand bzw. die gezählte Anzahl von Umdrehungen in den beiden Gebilden 11, 12 in diesem Fehlerfall auf eine Art und Weise ändert, die von den vorab ermittelbaren Gesamtwiderständen bzw. Anzahlen abweicht.
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Entsprechendes gilt auch umgekehrt, also für denjenigen Fehlerfall, in dem das externe Störfeld eine oder mehrere vorhandene Domänenwände oder Magnetisierungsrichtungen in einem der beiden Gebilde 11, 12 oder in beiden Gebilden 11, 12 auslöscht.
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Wesentlich ist dabei, dass der Wicklungssinn der beiden Streifen 13, 14 gegensinnig ausgebildet ist. Damit wird erreicht, dass ein externes Störfeld, das unabhängig von dem beispielhaft genannten rotierenden Magneten vorhanden ist, in den beiden Gebilden 11, 12 zu unterschiedlichen Veränderungen des Gesamtwiderstands bzw. der Anzahl von gezählten Umdrehungen führt. Diese unterschiedlichen Veränderungen weichen jedoch von denjenigen Veränderungen ab, die der beispielhaft rotierende Magnet hervorruft. Damit ist der Fehlerfall durch das Sensorelement 10 erkennbar.
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Wäre der Wicklungssinn gleichsinnig ausgebildet, so würde ein externes Störfeld, das unabhängig von dem beispielhaft genannten rotierenden Magneten vorhanden ist, in beiden Gebilden 11, 12 zu gleichartigen Veränderungen des Gesamtwiderstands bzw. der gezählten Anzahlen von Umdrehungen führen. Diese gleichartigen Veränderungen würden sich jedoch nicht von denjenigen Veränderungen unterscheiden, die der beispielhaft rotierende Magnet hervorruft. Damit wäre der Fehlerfall nicht erkennbar.
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In der 2 ist ein Sensorelement 30 dargestellt, das hinsichtlich seines Aufbaus weitgehend dem Sensorelement 10 der 1 entspricht. So weist das Sensorelement 30 der 2 zwei etwa rautenförmige Gebilde 31, 32 auf, die entlang einer Längsseite nebeneinander angeordnet sind. Jedes der Gebilde 31, 32 ist aus einem etwa spiralförmig angeordneten Streifen 33, 34 aufgebaut. Beispielhaft weist jedes der beiden rautenförmigen Gebilde 31, 32 etwa vier Wicklungen seiner spiralförmigen Streifen 33, 34 auf. Der Wicklungssinn der beiden spiralförmigen Streifen 33, 34 ist dabei gegensinnig.
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Im Unterschied zur 1 sind die beiden Streifen 33, 34 des Sensorelements 30 der 2 miteinander verbunden. Weiterhin weisen die beiden Streifen 33, 34 nicht an ihrem äußeren, sondern an ihrem inneren Ende jeweils einen Wandgenerator 35, 36 auf.
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Das Sensorelement 30 der 2 kann nunmehr auf zwei Arten verwendet werden.
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Einerseits ist es möglich, die beiden Streifen 33, 34 an ihrer Verbindungsstelle voneinander zu trennen und ansonsten keine Trennung vorzunehmen. Dies ist in der 2 durch einen Trennstrich 38 dargestellt. Die genannte Trennung 38 kann mit Hilfe eines Lasers oder dergleichen vorgenommen werden. Nach der Trennung 38 sind die beiden Gebilde 31, 32 elektrisch und magnetisch voneinander getrennt.
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Nach der Trennung 38 unterscheidet sich das Sensorelement 30 der 2 nur dadurch von dem Sensorelement 10 der 1, dass die Wandgeneratoren 35, 36 nicht am äußeren Ende, sondern am inneren Ende der Streifen 33, 34 vorhanden sind. Dies ändert jedoch grundsätzlich nichts an der Funktionsweise des Sensorelements 30. Das Sensorelement 10 der 1 und das Sensorelement 30 der 2 besitzen somit im Wesentlichen dieselbe Funktionsweise. Insoweit wird auf die Erläuterungen zur 1 verwiesen.
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Andererseits ist es möglich, beispielsweise den Wandgenerator 35 des links dargestellten Gebildes 31 abzutrennen und ansonsten keine Trennung vorzunehmen (auch nicht die Trennung 38). Dies ist in der 2 durch einen Trennstrich 39 dargestellt. Nach der Trennung 39 ist der Wandgenerator 35 funktional nicht mehr vorhanden, die beiden Streifen 33, 34 sind aber weiterhin miteinander verbunden.
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Auf diese Weise ist das Sensorelement 30 der 2 bei dieser Trennung 39 dazu geeignet, insgesamt acht Umdrehungen eines sich beispielhaft vorbeibewegenden, rotierenden Magneten zu erfassen. Dies ergibt sich daraus, dass die jeweils vier Wicklungen der beiden Gebilde 31, 32 aufgrund der Verbindung der beiden Streifen 33, 34 magnetisch in Serie geschaltet sind. Die Erzeugung der Domänenwände erfolgt dabei mit Hilfe des einzigen Wandgenerators 36. Es muss allerdings darauf hingewiesen werden, dass bei dem Sensorelement 30 mit der Trennung 39 eine fehlerhafte Zählung aufgrund eines externen Störfelds nicht erkennbar ist.
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Mit dem Sensorelement 30 ist es somit möglich, zwei unterschiedliche Ausgestaltungen durch einfache Trennungen zu realisieren.
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In der 3 ist ein Sensorelement 50 dargestellt, das hinsichtlich seines Aufbaus – abgesehen von einem einzigen Unterschied – mit dem Sensorelement 10 der 1 identisch ist. Bei dem Unterschied handelt es sich um die Ausgestaltung des Wandgenerators. So sind bei dem Sensorelement 10 der 1 zwei Wandgeneratoren 15, 16 vorhanden, die jeweils zu einem der beiden rautenförmigen Gebilde 11, 12 zugeordnet sind. Im Unterschied dazu ist bei dem Sensorelement 50 der 3 ein einziger, gemeinsamer Wandgenerator 52 vorhanden, der beiden rautenförmigen Gebilden 11, 12 zugeordnet ist. Der gemeinsame Wandgenerator 52 der 3 ist dabei mit den jeweiligen spiralförmigen Streifen 13, 14 beider rautenförmigen Gebilde 11, 12 verbunden.
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Wird nun an dem Sensorelement 50 der 3 beispielsweise ein Magnet in der mit dem Pfeil 25 gekennzeichneten beispielhaften Richtung vorbeibewegt bzw. gedreht, so hat dies zur Folge, dass in das rautenförmige Gebilde 12 über den Wandgenerator 52 eine neue Domänenwand eingespeist wird und in dem Gebilde 11 über den Wandgenerator 52 eine vorhandene Domänenwand ausgelöscht wird. Entsprechendes gilt für weitere Vorbeibewegungen bzw. Drehungen des rotierenden Magneten bzw. umgekehrt für Drehungen in die Gegenrichtung.
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Damit verhält sich das Sensorelement 50 der 3 im Hinblick auf ein externes magnetisches Störfeld auf die gleiche Art und Weise wie das Sensorelement 10 der 1. Insoweit wird auf die Erläuterungen zur 1 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1740909 B1 [0002, 0018]
- EP 1532425 B1 [0018]
